LPWAN - Low Power Wide Area Network

Low Power Network (LPN) oder Low Power Wide Area Network (LPWAN) sind Vernetzungskonzepte bei denen eine hohe Netzabdeckung und ein geringer Energieverbrauch die zentralen Kriterien beim Betrieb eines solchen Funknetzwerks sind.

Bei Low-Power-Funknetzen geht es darum, eine große Anzahl Teilnehmer in ein Netz einzubinden. Die Kommunikation in einem Low-Power-Netz ist dabei nur für einfache Nachrichten ausgelegt. Also Anwendungen, die mit einer niedrigen Bandbreite und einer hohen Latenz klar kommen. In typischen Anwendungen der M2M-Kommunikation reichen oft wenige kBit/s aus, um die notwendigen Informationen zu übertragen. Alles ist darauf optimiert, möglichst wenig Energie zu verbrauchen, damit das Funkmodul mit einer herkömmlichen Batterie mehrere Jahre betrieben werden kann.

Die ursprünglichen M2M-Anwendungen haben ausschließlich Mobilfunktechnik für den Datenaustausch genutzt. Allerdings bedarf es einer externen Stromversorgung, um eine Kommunikation zu gewährleisten. Durch den entsprechenden Bedarf haben neue Netzbetreiber Low-Power-Funknetze aufgebaut und stellen eine Alternative zu den etablierten Mobilfunknetzen dar. Die meisten Low-Power-Funktechniken lassen sich auch als Private Networks betreiben, weshalb man im Wide Area Network nicht auf fremdbetriebene Mobilfunktechnik angewiesen ist.

Anforderungen an Low-Power-Funknetze

Die Anforderung lautet, dass Funkmodule rund zehn Jahre lang mit einer einzigen AA-Batterie auskommen müssen und weniger als 5 Euro kosten sollen. Damit das möglich ist, dürfen die Sensoren nur sporadisch Signale ins Netz senden, damit die Geräte mehrere Jahre ohne Batteriewechsel auskommen können.

  • Modems mit langer Batterielaufzeit
  • geringe Anschaffungs- und Betriebskosten
  • geringe Anforderungen an die Hardware
  • sehr hohe Verfügbarkeit
  • Unterstützung einer großen Anzahl von Netzteilnehmern

Lizenzfreie Frequenzbänder für IoT-Funknetze

  • 433 MHz (unidirektional)
  • 868 MHz (bidirektional)
  • 2,4 GHz
  • 5 GHz

Für Low-Power-Funknetze kommen nur schmale Funkbänder und Frequenzbereiche mit günstigen Ausbreitungseigenschaften, hoher Reichweite und geringer Sendeleistung in Frage. Das ideale LPWAN arbeitet im Frequenzbereich unter 1 GHz.
Hier zeigt der Trend in Richtung kleiner Sendeleistungen in lizenzfreien Frequenzbändern. In Europa kommen dafür die Frequenzbereiche um 433 und 868 MHz infrage. Für die USA 915 MHz. Allerdings darf im Frequenzbereich von 433 MHz nur unidirektional übertragen werden. Für funkbasierte Garagenöffner und Steckdosen ist das in Ordnung, aber nicht für kritische Anwendungen auf Distanz über mehrere Kilometer.
Im europäischen Raum fokussiert man sich deshalb auf die Frequenzen 868 MHz und alternativ 2,4 GHz.

Vorteile

  • keine hohen Lizenzkosten wie bei klassischen Mobilfunknetzen
  • geringerer Aufwand mit Regulierungsbehörden
  • keine langwierigen und entsprechend teuren Baugenehmigungsverfahren für Senderstandorte
  • schneller Rollout ohne Ärger mit Anwohnern und Umweltschützern

Nachteile

  • Wegen der kleinen Sendeleistung (nur wenige mW) sind viele Senderstandorte nötig, um eine brauchbare Flächendeckung zustande zu bringen.
  • Die Übertragungsrate ist auf wenige dutzend oder einigen 100 Bit/s begrenzt. Es können also nur kleine und kurze Meldungen übertragen werden.

Anwendungen

Mit der niedrigen Leistungsaufnahme, reduzierter Endgeräte-Komplexität, geringe Kosten der Geräte und gleichzeitig eine tiefe Abdeckung für schwer erreichbare Standorte sind Low-Power-Netze optimal für Sensor-Anwendungen geeignet.

Übersicht: LPWAN-Lösungen

Reichweite und Bandbreite im Vergleich

Bei UNB (SigFox), RPMA (Ingenu) und LoRa handelt es sich um Funktechniken bzw. Funknetze, die auf lizenzfreiem Frequenzspektrum mit schmalbandigen Übertragungen arbeiten.

  • LoRa: offener Industriestandard
  • UNB: propritäre Funktechnik von Sigfox
  • RPMA: propritäre Funktechnik von Ingenu

Im klassischen Mobilfunknetz arbeitet man mit dem sogenannten Network Slicing. Damit teilt man das Netz bzw. das Frequenzspektrum in "Scheiben", die jeweils ganz gezielt auf unterschiedliche Anforderungen optimiert sind.

  • EC-GSM-IoT: IoT-Anwendung in GSM-Bändern
  • LTE-Cat-M1 / LTE-M / eMTC: Nutzung des IoT in LTE (3GPP Release 12/13)
  • LTE-Cat-NB1 / NB-IoT: schmalbandige IoT-Lösung für LTE (3GPP)
  • LTE-AP: herkömmliches LTE-Modem im Power-Saving-Modus (3GPP)

LoRa / LoRaWAN - Long Range Wide Area Network

LoRa ist ein offener Funkstandard für ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) und ergänzt das klassische Mobilfunknetz um ein IoT- oder M2M-Netzwerk mit bidirektionaler Kommunikation. Hier geht es darum, die Erreichbarkeit der "smarten Dinge" zu verbessern. Mit LoRa-Komponenten lässt sich ein eigenes IoT-Funknetzwerk aufbauen.

UNB - Ultra-Narrow-Band Modulation (Sigfox)

Ultra-Narrow-Band Modulation, kurz UNB, ist ein globales Funknetzwerk, das von Sigfox, einem französischen Telekommunikationsunternehmen, betrieben wird. UNB eignet sich, um Objekte mit geringem Datenaufkommen und Energiebedarf drahtlos mit dem Internet der Dinge zu verbinden.

RPMA - Random Phase Multiple Access (von Ingenu)

RPMA ist eine propritäre Funktechnik der Firma Ingenu, die dazu auch ein eigenes Netz in den USA betreibt. RPMA (Random Phase Multiple Access) wurde für die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) entwickelt und nutzt das 2,4-GHz-Band.

Wi-SUN

Wi-SUN der Wi-SUN Alliance setzt den Standard IEEE 802.15.4g ein, um ein schmalbandiges Funknetzwerk zu bilden. Eine Besonderheit ist seine Mesh-Topologie mit Selbstheilungsfähigkeit und ist somit für Field Area Networks (FAN) besonders geeignet.

Thread

Thread ist ein Mesh-Netzwerkprotokoll für die Smart-Home-Vernetzung. Thread wurde ursprünglich von der Google-Tochter Nest entwickeln. Inzwischen gehören unter anderem ARM, Siemens, Qualcomm, Osram, Samsung und Bosch zu den Mitgliedern der Thread Group.
Die Thread Group strebt eine einheitliche Vernetzung von Smart-Home-Geräten an. Sie verwendet dafür ein IPv6-basiertes Mesh-Netzwerk-Protokoll, das auf 6LoWPAN aufsetzt (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks).

GSM / GPRS / EDGE

Die Anforderungen an IoT-Funktechniken bezüglich der Kosten, Leistungsaufnahme und Flächendeckung sind enorm. Zwar eignet sich die alte 2G-Technik mit GSM, GPRS und EDGE beispielsweise zur Alarmierung oder Telemetrie. Allerdings ist GSM, gemessen am IoT-Bedarf, zu ineffizient.

EC-GSM-IoT - Extended Coverage GSM for IoT (3GPP)

Bei EC-GSM-IoT (Extended Coverage GSM for IoT) wird die Übertragungsgeschwindigkeit zugunsten einer besseren Netzabdeckung (Coverage) im GSM-Netz reduziert.

LTE-Cat-M1 / LTE-M - Long-Term Evolution for Machines (3GPP)

Long-Term Evolution for Machines, kurz LTE-M bzw. LTE-Cat-M1, auch bekannt unter der Bezeichnung Enhanced Machine-type Communications, kurz eMTC, ist eine Spezifikation der 3GPP womit die LTE-Netzbetreiber ihre Mobilfunknetze für die typischen Anwendungen im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) nutzbar machen können.

LTE-Cat-NB1 / NB-IoT - NarrowBand-IoT (3GPP)

NarrowBand-IoT ist eine Spezifikation der 3GPP und wird auch unter dem Namen LTE-Cat-NB1 geführt. Die LTE-Netzbetreiber können mit NarrowBand-IoT ihre Mobilfunknetze für die typischen Anwendungen im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) nutzbar machen.

LTE-Cat-0

Im 3GPP-Release 12 und 13 ist eine Gerätekategorie 0 für LTE-AP definiert. LTE-Cat-0 hat ein um 60 % reduziert Modemkomplexität. Es beherrscht den Frequenzduplexbetrieb (FDD) im Halbduplexverfahren, also ohne Duplexfilter. Die Bandbreite wurde für den Empfang auf 1,4 MHz reduziert, wobei das Gerät weiterhin in allen LTE-Netzen bis zu 20 MHz funktioniert. Eine niedrigere Datenrate reduziert Komplexität und Kosten für Rechenleistung und Speicher.

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